第四章  石油化工行业

第三节  石化行业空压机变频调速节能改造

一、引  言

气压机和空压机在石化企业应用十分普遍，气压机是将炼化过程中产生的石油气加压液化回收，空压机则为企业提供生产用气。由于石化企业的生产是连续不间断的，因此要求气压机和空压机常年连续运行，如果停止运行，轻则影响生产，重则造成设备及人身事故。

在设计选用气压机和空压机的电动机容量时，通常是按设备满负荷长时间运行来选择的，故设计容量一般都偏大。在实际运行中电动机的负载率偏低，且轻载运行的时间所占的比例很大。如采用变频调速运行，则可大大提高电动机的运行效率，达到节能的效果，并可减小机械的磨损，延长设备的寿命。

对于气压机，为了防止入口压力过低造成气压机喘振，一般通过反飞动阀向入口侧反送气，造成重复作功而浪费大量电能。采用变频调速以后，可以通过调整气压机的转速来保持入口压力恒定在设定的范围内运行，不开火炬阀和反飞动阀，保证最佳的节能效果。

对于空压机，一般采用调整出口门开度来调整出口压力，当出口门开度减小时，电动机的运行功率减少并不多，空压机运行在低效状态，同样造成大量电能浪费。如果用变频调速，则可根据需要的用气量动态调节空压机的出口压力恒定，提高了空压机的运行效率，达到节能的目的。

二、空压机变频调速节能改造

宁夏宝塔石化集团公司石化一厂有活塞式空压机三台，制气量为40m³/h和20m³/h；电动机功率分别为250kW一台，130kW两台。每台空压机出口有气压罐，通过阀门连接到总气管上。气压罐上装有自动放气阀，在气压过高时可自动开启放气阀以保证空压机的安全。要求出口压力不小于0.45MPa, 大于0.5MPa时自动排空。根据生产用气量的变化，一般运行一台大机或运行两台小机即可满足生产用气的需要；在用气高峰期，短时运行一大一小两台空压机。

                 图1    空压机工作流程简图

在空压机的运行中，有四大问题是用户一直致力解决的：

⑴如何提高供气质量；

⑵如何节约高额的电费开节；

⑶如何降低工作环境的噪音；

⑷如何延长空压机的使用寿命（检修周期）。

1.原空压机电控系统的缺点

⑴空压机电动机采用星/三角起动方式，起动电流大，对设备和电网的冲击大；

⑵供气压力主要靠增减空压机的运行台数来调整，供气质量差。为了避免气压机的频繁起停，当少开一台空压机时，供气压力偏低，不能满足生产用气的要求；多开一台空压机时，供气压力又偏高，电耗高，供气成本高。

⑶由于空压机全速运转，且要用出口阀门调整供气压力，造成空压机房噪声大。

⑷系统排气压力高，管径的配置达不到空压机气体的流速要求，造成管路压降偏高，减荷能耗大。

2.变频恒压供气系统设计和工作原理

    通过对三台空压机进行变频调速节能改造，能够稳定供气管网的压力，达到恒压供气的目的。既降低了供气能耗，又降低了空压机房的噪音，也延长了设备的使用寿命。

   每台空压机采用一台变频器驱动，采用一拖一带工频旁路设计方案。当变频器故障时，空压机可以切换到工频旁路运行，以保证供气系统的可靠性。

              图2  标准的一拖一带工频旁路方案

恒压供气控制由系统DCS完成：由储气罐压力传感器向DCS提供压力信号，与控制台的压力设定信号进行比较后经PID运算，向变频器送出频率指令信号，控制变频器的输出频率，从而控制空压机的转速，达到恒压供气的目的。

DCS系统送出的频率指令信号为4～20mA电流信号，相对于0～100%调速范围。由于变频器电流信号输入端子的阻抗为250Ω，若将三台变频器的信号端子串联，总阻抗为750Ω，超出了DCS输出信号的负载能力，所以采用一只500Ω标准电阻，将4～20mA电流信号转换成2～10V电压信号，再并联接到三台变频器的电压信号输入端子VG，让三台变频器同步运行，且任何一台都可以随时投入和退出运行。

3.变频恒压供气系统功能和节能效果

⑴三台空压机全部采用变频驱动，且同步运行，可实现最大限度的节能效果；

⑵根据储气罐压力，DCS系统自动判断开停空压机的台数和大小，并自动开停机；

⑶全部机组实现了软起停，大大减小了起动电流，避免了对电网和设备的冲击，延长了设备的使用寿命。

⑷每台机组具备变频和工频运行双功能，当变频器故障时可以切换到工频运行，保证供气的可靠性。

⑸供气压力设定值可根据实际生产情况由用户随时在DCS操作台上修改，操作简单；

⑹恒压供气确保管网不受压力突变的冲击，延长了管网的使用寿命，降低了维修成本；

⑺具有完善的保护措施（过流、过压、过载、过热及电机相间和对地短路等），且变频器具有自诊断功能，使系统的运转率和可靠性大大提高。

⑻变频空压机一般运行频率为35Hz～40Hz之间，其节能率在20%～30%之间。

4.空压机变频调速改造过程中应注意的问题。

⑴由于活塞式空气压缩机的转动惯量大（带有大飞轮），在选用变频器时应根据实际运行电流和具体的运行工况条件来确定变频器的容量，且应根据空压机的负载性质选用G型（通用型）变频器。

⑵应考虑压力传感器的安装位置，应在满足生产用气需要的前提下，实现最大限度的节能效果；压力传感器和频率指令应采用4～20mA标准信号，抗干扰能力强，信号线要采用双芯屏蔽电缆。

⑶变频器的控制系统中应设有开环和闭环两种控制模式，以便于在调试和特殊情况下使用。

⑷在活塞式空气压缩机的调试中应严格注意电动机的转向，应脱开离合器先验证在变频器驱动时的电动机转向，使其按规定的方向旋转，严禁电机反向运转，避免造成主机设备的重大损失。

⑸由于空气压缩机不允许长期在低速状态工作，在低速下运行不仅稳定性差，容易发生喘振；另一方面，如果转速过低，润滑油压过低（＜0.2MPa）,会使缸体的磨损加快 ，同时要保证足够的出口压力，故应在正式投运前设定合理的、安全的工作频率下限值.

三、气压机变频调速节能改造

   宁夏宝塔石化集团公司石化一厂有活塞式气压机三台，电动机功率均为160 kW。其作用是将炼化过程中产生的石油气加压液化回收。一般运行两台气压机已能满足生产的需要，另一台检修备用。

由于炼化过程中产生的石油气的数量是变化的，因而气压机的入口压力PT1也是变化的。为了防止因入口压力过低而引起气压机喘振，一般通过反飞动阀PV2从出口侧向入口侧反送气，造成重复作功而浪费大量的电能。当入口压力过高时则要打开火炬阀PV1排空燃烧，以保证设备的安全，但也造成了能源的浪费。采用变频调速以后，可以通过调整气压机的转速来维持入口压力的恒定，关闭反飞动阀，并尽量避免开火炬阀，以实现最佳的节能效果。

1．气压机运行工艺要求

PT1=0.03～0.08 MPa工作正常，通过调整反飞动阀的开度调节入口压力

PT1＜0.03MPa   开反飞动阀

PT1＞0.08MPa   打开火炬阀

PT2=0.9～1.6MPa  工作正常  

2.气压机变频调速节能改造方案

   考虑到三台气压机平时二用一备，为了节省投资，所以采用两台变频器对气压机进行节能改造，主回路采用二拖三控制方案：如图5所示

⑴ T1，T2，T3为原控制柜空开，保留不变

⑵ T4，T5为新增两台变频器隔离开关；

⑶ 1ZJ，2ZJ为新增两台变频器自动开关，当变频器故障时可跳此开关；

⑷K1，K2为新增两台变频器输出手动切换开关（双掷开关）

K1，K2并且要在机械上实现互锁：（应可解锁）

①
 K1在位置1时，K2可在位置1、2、3

②当K1在位置2时，K2可在位置2、3

③当K2在位置2时，K1可在位置1、2

④当K2在位置3时，K1可在位置1、2、3

气压机变频运行组：1、2；2、3；1、3。

⑸当1#变频器故障时，除了联跳变频器电源自动开关1ZJ外，隔离开关T4也应打掉，并且输出切换开关应在位置2，变频器2只能带3#气压机工作，1#、2#气压机可投工频运行。

⑹当2#变频器故障时，操作同5款。

⑺K1，K2手动切换开关，应可实现机械互锁，但也可以开锁，以便实现灵活的控制功能。

⑻当气压机变频运行时，手动回路的隔离开关T1，T2，T3均应处于断开状态。

   但是这个方案有个缺点：当一台变频器因故障退出运行时，另一台变频器也要退出运行！因为气压机变、定并列工作时不好匹配，容易出现抢风和回流现象，严重时会引起气压机喘振，不象水泵装有逆止阀可以防止回流。

   最好是每台气压机配一台变频器，均采用一拖一带工频备用的结线方案。这样，无论是某一台气压机故障，或某一台变频器故障，都能保证有两台气压机变频运行，收到最好的节能改造效果。

3.气压机变频调速控制原理

   气压机的闭环控制由DCS系统实现，以气压机的入口压力PT1作为主调节参数，保证PT1在0.03～0.08 MPa范围内，使系统能正常工作，不开火炬阀和反飞动阀，保证实现最佳节能效果。同时兼顾PT2在0.9～1.6MPa范围之内（由最低限制频率保证）。变频器接受DCS系统送出的频率指令信号（4～20mA），采用电流信号（IG）输入方式，两台变频器串联。

   变频气压机必须同步运行（相同的转速），以保证出口压力一致，才能避免气压机的抢风和回流现象发生，以防止气压机喘振。

4.气压机变频调速改造过程中应注意的问题

气压机在变频调速节能改造过程中除了有空压机相同的问题需要注意外，在进行变频器最低工作频率的试验设定时，除了满足气压机润滑油压的要求外，还要满足气压机出口压力PT2不小于0.9MPa的要求。（注意试验应在两台气压机变频运行时进行）。

   当两台气压机变频运行时，其工作频率在35～40Hz之间已能满足生产要求，节电率在20%～30%！

四、结束语

通过工程实践证明，大功率变频器用于石化行业压力变化范围大的气压机和多机并联运行恒压供气的空压机的节能改造是非常理想的，也是十分成功的，取得了良好的节能效果。随着用户对变频器的使用经验和接受程度的提高，变频器在石化行业有着更加广泛的应用领域。